イッテルビウムレーザーとは？
イッテルビウムレーザーには、他の利得材料にはない優れた利点がいくつかあります。このレーザーはスラブ型やディスク型として作られることもありますが、その主な利点は、理科学や材料加工用途向けの超高速レーザーとしての出力を備えたファイバーレーザーとして作られた際に発揮されます。
イッテルビウム（Yb）レーザーは、イッテルビウム（Yb³⁺）イオンをドープした基板を利得媒質とするレーザーです。基板の種類にもよりますが、1030～1070 nmの近赤外光を放射します。モードロックされたYbレーザーの場合、この近赤外光は周波数を効率的に2倍または3倍に増幅することができ、緑色や紫外線の波長を放射することができます。このモードロックされたレーザーは、波長を変調して出力するため、パラメトリックデバイスの励起用としても使用できます。
Ybレーザーの4つの主な利点
イッテルビウム（Yb）レーザーの主な利点は以下の通りです：
- モードロック方式により、フェムト秒（fs）のパルス幅で出力が可能です。これにより生成される高いピーク出力のため、fsパルスは、神経科学における最先端の用途だけでなく、高度な材料加工の用途にも適しています。
- ファイバーレーザーとして製造できるため、過酷な産業環境下でも操作が簡単で、信頼性に優れています。
- 他のどのFSレーザーよりも出力を高めることができます。これにより、神経科学分野では、より鮮明な画像とより高速な多光子励起が可能となり、ステントなどの医療機器においては、精密な切断により高いスループットが実現されます。
- 他のウルトラファストレーザーよりも電気効率が高くなっています。これにより、持続可能性が高く、環境に優しい製造方法に対応することが可能です。
ここで、こうした利点を技術的な観点からさらに詳しく見てから、代表的ないくつかの用途にどのような影響を与えるかを確認してみましょう。
いくつかの「軽い」技術的な説明
モードロックにより、短いパルス幅と高いピーク出力を実現
モードロックとは、レーザーに極めて短いパルス幅と極めて高いパルス繰り返し周波数を発生させる手法です。これにより、連続発振レーザーで生成されたすべての光が、レーザー共振器内を循環する極めて短いパルスに変換されます。パルスが部分反射出力ミラーで反射するたびに、わずかに減衰していきます。したがって、レーザーは共振器内の往復時間に対応するパルスレートを自然に生成します。レーザー共振器の長さが数十センチ以下の場合、これは数十MHzの繰り返し周波数に相当します。
一方、パルス幅は「利得帯域幅」と呼ばれるレーザーの波長分布の広がりに依存します。帯域幅が広いほどパルスは短くなり、その逆もまた然りです。Ybレーザーの広い帯域幅は、これらのレーザーがギガワット級のピーク出力で、50 fsという短いパルスを出力できることを意味します。
ファイバーアーキテクチャにより、信頼性と出力の拡張性を実現
ファイバーと出力のスケーリングは密接に関連しています。どの固体レーザーにおいても、レンズの問題や損傷を引き起こす可能性のある利得材料から不要な熱を除去することが課題となります。 熱は、除去のために材料の端部（表面）へと伝導的に流れる必要があります。これにより、バルク結晶を基盤とする固体レーザーの最大出力は制限されます。しかし、利得媒質がファイバーに引き伸ばされたり、ディスク状に圧縮されたりすると、利得材料のすべての部分が冷却面の近くに位置することになり、冷却に関する考慮事項によって出力のスケーリングが制限されることはありません。
Ybの大きな利点は、ファイバーとしてもディスクとしても形成可能なガラスを母材として利用できることです。ただし、ファイバーレーザーには、光学機械的に堅牢であり、アライメントがずれないという利点があります。 Coherent 、このような出力の拡張性によるものです。そして、その固有の信頼性こそが、多様で要求の厳しい用途で使用されている理由です。
半導体レーザーの効率的な励起により、二酸化炭素排出量を削減
Ybレーザーは、次の2つの理由から、他のいくつかの固体レーザーよりも電気効率が高くなっています。まず、電気を光に変換する半導体レーザーが、Yb添加ファイバーを直接励起するために使用されており、全体的な電気効率を低下させる可能性のある中間ステップが存在しません。さらに、半導体レーザーの励起波長（976 nm）とYbファイバーの出力波長（1030～1070 nm）の差という、比較的小さな量子欠陥があります。量子欠陥として表されるエネルギーは熱として失われるため、このような小さな値は非常に望ましいものです。
Ybレーザーの用途
モードロックYbファイバーレーザーの用途範囲は、その出力レベルと出力波長（IR、グリーン、UV）によって異なります。
マルチフォトン神経科学
平均出力が数ワットの低出力レーザーは、主に理科学分野で使用されます。ここでは、Ybレーザーを光パラメトリック発振器（OPO）とワンボックス形式で統合し、波長を切り替えて出力することができます。Chameleon NXです。波長を切り替えて出力できるレーザーの最大の用途は、神経科学、生体イメージング、リアルタイム（術中）生検に向けたトランスレーショナルリサーチ向けに高解像度3D画像を提供するマルチフォトン顕微鏡です。
高出力（数十ワット）の増幅されたYbレーザーには、Monacoシリーズがあります。赤外線バージョンは、基礎科学および産業の両方の用途に役立ちます。基礎科学における主な用途は神経科学であり、その用途では、Monacoはわずか50 fsのパルス幅を発生するOpera Fのような調整可能な光パラメトリック増幅器と組み合わされます。波長可変出力は、3光子イメージングと2光子オプトジェネティクス光刺激の両方に使用されます。
精密材料加工
工業用パッケージ化されたMonacoシリーズにより、fsレーザー加工ならではの利点が、ますます多様化する精密製造の用途で活用されています。赤外線モデルのMonaco 1035は、ガラスの切断・溶接、薄膜・フィルムの切断、医療機器製造（ステント、TAVR用ツールなど）といった用途に対応しています。
Monaco 、ポリマーの切断や穴あけ、フレキシブルPCBやICパッケージの切断、シリコンウェハのダイシング、医療機器の製造、金属箔の切断、テクスチャリングなどの材料加工に適しています。
Monaco 、波長345 nmの紫外線を放射し、フレックス部品の材料加工や、周辺への熱影響を受けない各種材料の切断に使用されます。具体的には、有機ELモジュール、半導体ウェハー、薄膜、金属箔、ディスプレイ用タッチセンサーなどが挙げられます。